面向高分辨率面陣CCD的新型信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)是一種金屬－氧化物－半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的新型圖像傳感器器件。它能存儲(chǔ)由光產(chǎn)生的信號(hào)電荷，當(dāng)對(duì)它施加特定的時(shí)序信號(hào)時(shí)，其存儲(chǔ)的信號(hào)電荷便可在CCD內(nèi)部作定向傳輸而實(shí)現(xiàn)自掃描。由于它具有幾何精度高、穩(wěn)定性好、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，因而在遙感遙測(cè)、天文測(cè)量、非接觸工業(yè)測(cè)量、光學(xué)圖像處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)隨著大面陣CCD生產(chǎn)工藝水平的提高和價(jià)格的下降，極大地促進(jìn)了數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等新興消費(fèi)類電子產(chǎn)品的發(fā)展，并迅速形成驚人的市場(chǎng)規(guī)模。本文主要討論面向高分辨率面陣CCD的一種新型信號(hào)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可用于數(shù)碼相機(jī)以及對(duì)分辨率要求較高的圖像處理場(chǎng)合。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，被觀測(cè)物經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡頭映射在CCD圖像傳感器的光敏陣列上，通過(guò)CCD內(nèi)部將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。當(dāng)時(shí)序發(fā)生器對(duì)其施加特定時(shí)序的脈沖時(shí)，每個(gè)像素的電荷信號(hào)將被依次移出CCD并經(jīng)放大變成電壓幅度不等的模擬信號(hào)。這些信號(hào)將會(huì)被送到外部獨(dú)立的模擬前端(AFE)電路并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這些數(shù)字信號(hào)就是傳感器捕捉到的原始圖像信息。在本系統(tǒng)中，采用AD公司新近推出的AD9995芯片，它集成了時(shí)序發(fā)生器、模擬前端以及A/D轉(zhuǎn)換器的功能。AD9995中的時(shí)序發(fā)生器(Time Generator)產(chǎn)生CCD的驅(qū)動(dòng)脈沖(V1～V6，H1～H4)，CCD在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下輸出像素電壓信號(hào)給AD9995，由AD9995內(nèi)部的模擬前端電路調(diào)理后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)并行輸出;之后這些數(shù)字信號(hào)通過(guò)DSP的PPI接口，在DSP中的DMA控制器控制下，高速存儲(chǔ)到DSP的外部存儲(chǔ)器SDRAM中，以待進(jìn)一步的圖像處理。

2系統(tǒng)硬件組成及實(shí)現(xiàn)
2.1 ＣCD芯片
　　本系統(tǒng)采用的ICX432DQF是SONY公司生產(chǎn)的一款3.24M有效像素的行間傳送面陣CCD(如圖2所示)，它具有高感光度，暗電流非常小，并帶有電子快門功能，要求的水平驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率為24.3MHz，需要六相垂直驅(qū)動(dòng)脈沖和兩相水平驅(qū)動(dòng)脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)。V1～V6為垂直脈沖輸入引腳，H1、H2為水平脈沖輸入引腳。在CCD曝光成像之后，首先會(huì)在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下將每一列成像勢(shì)阱中的電荷移送到旁邊的垂直寄存器(掩膜阱)中，在垂直驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，垂直寄存器組中所有像素電荷向下移動(dòng)一行，此時(shí)最下邊一行的像素電荷便被移送到水平寄存器中；之后在水平驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，水平寄存器中電荷被依次移出，經(jīng)放大形成電壓信號(hào)由VOUT引腳輸出，水平寄存器被移空后，所有余下的電荷又被下移一行，然后水平寄存器中的電荷再依次被移出。重復(fù)這個(gè)過(guò)程直至所有像素電荷被移出。

根據(jù)此款CCD的要求給其提供不同的垂直驅(qū)動(dòng)脈沖組合，CCD可以按三種不同的方式輸出圖像：幀輸出模式、高速輸出模式和聚焦輸出模式。幀輸出模式下，CCD的所有有效像素電荷全部輸出，圖像具有最高的分辨率，在輸出的過(guò)程中整幀圖像分成三個(gè)場(chǎng)分別輸出，之后再重組成一幅圖像，此時(shí)的輸出速度可達(dá)5幀/秒；高速輸出模式下圖像的輸出速度可達(dá)30幀/秒，在此模式下并不是將全部像素電荷輸出，相當(dāng)于每六行輸出一行，高速輸出模式可以滿足數(shù)碼相機(jī)的預(yù)覽功能；還有一種是為了實(shí)現(xiàn)圖像快速聚焦功能的聚焦輸出模式，此種模式下只將CCD中心區(qū)域的像素電荷輸出，輸出速度可達(dá)60幀/秒。
2.2 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和模擬前端模塊
　　AD9995是一種面向數(shù)碼相機(jī)和便攜式錄像機(jī)開發(fā)的高度集成的CCD信號(hào)處理器。它由帶A/D轉(zhuǎn)換器的模擬前端(AFE)和一個(gè)可編程的時(shí)鐘發(fā)生器兩大功能模塊組成。由于AD9995把時(shí)序發(fā)生器和AFE集成在一塊芯片上(如圖3所示)，不但可減小PCB板的尺寸，同時(shí)也使高速信號(hào)在傳輸與處理時(shí)的噪聲得以降低，并減小了耗電量。在CCD工作前，有關(guān)驅(qū)動(dòng)脈沖的參數(shù)需由DSP通過(guò)三線式串行接口寫入時(shí)序發(fā)生器的相應(yīng)寄存器組中。通過(guò)外接主時(shí)鐘CLI，AD9995將產(chǎn)生CCD所需的水平及垂直驅(qū)動(dòng)脈沖以及AFE驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。模擬前端包括暗電流箝位器、雙相關(guān)采樣器、增益放大器和一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器。